Soil stability and influence of dynamic load impact on soil physical properties of farmland under conservation and conventional tillage

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der mechanischen Bodenbelastung durch landwirtschaftlichen Verkehr. Das ausgewählte Versuchskonzept ist dabei auf die Untersuchung der physikalischen Bodenbelastbarkeit in Gegenüberstellung zu dynamischen Lasteinträgen gerichtet und soll der Entscheidungsfindung hinsichtlich praktischer Handlungsempfehlungen dienen. Im Vordergrund stehen die Betrachtung nutzungsbedingter Verdichtung im Bodenbereich unterhalb der regelmäßig bearbeiteten Ackerkrume sowie die Bewertung unterschiedlicher technischer und pflanzenbaulicher Bodenschutzmaßnahmen. Auf vier Versuchsflächen wurden die bodenkundlichen Ausgangsbedingungen durch Leitprofilbeprobungen ermittelt und landtechnische Freilandbelastungsversuche mit Bodendruck- und Deformationsmessungen sowie Beprobungen begleitet. Als Versuchsfaktoren wurden verschiedene Radlasten (3,3, 6,3, 7,5Mg) mit variierenden Reifeninnendrücken unter konservierender und konventioneller Bodenbearbeitung in den Bodenregionen der nordrhein-westfälischen Löss- und Sandlösslandschaft und der schleswig-holsteinischen Jungmoränenlandschaft untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass sich insbesondere die Bodenbearbeitung, die Gesamtlast und der Reifeninnendruck auf die mechanische Belastung des Ackerbodens auswirken. Zwischen den beiden Ausgangssubstraten (Löss und Geschiebemergel) konnten keine signifikanten Unterschiede der Druckfortpflanzung festgestellt werden. Die konservierende Bodenbearbeitung zeigt im Oberboden eine höhere Strukturstabilität gegenüber der konventionell wendenden Bodenbearbeitung und weist hinsichtlich mechanischer Belastungen ein erhöhtes Druckkompensationsvermögen und eine verbesserte Reduktion scherender und komprimierender Bodenverformung mit der Tiefe auf. Die dynamischen Belastungsversuche der simulierten Maschinengewichte offenbaren mit schwereren Radlasten eine Zunahme der Spannungseinträge mit verstärkter Tiefenwirkung der Belastungsimpulse und eine erhöhte Gefahr der Unterbodenverdichtung. Für die landtechnische Maßnahme des abgesenkten Reifeninnendrucks konnten für die beiden Radlastvarianten 3,3 und 6,3Mg verminderte Kontaktflächendrücke, eine Abnahme der Spannungseinträge bis in den Unterboden und damit positive Effekte hinsichtlich der Bodenbelastung festgestellt werden. Um die Stabilität des Bodens gegenüber Belastungssituationen eines landwirtschaftlichen Radfahrzeuges abzuschätzen, wurde das Druck-Zeit-Setzungsverhalten der Böden untersucht und statische und dynamische Stabilitäten der Böden über den Ödometerversuch bestimmt. Mit der Simulation des realen Spannungspfades einer Überfahrt im Laborversuch konnte die zu erwartende Stabilität der Böden für einmalige bis 10malige Überfahrung ermittelt werden. Mit kurzer, dynamischer Belastung wurde dabei eine kurzfristig höhere Stabilität gegenüber der statischen Belastung verzeichnet. Die Auswirkungen technogener Belastung auf die physikalischen Bodeneigenschaften und Bodenfunktionen konnten über Einfach- und Mehrfachüberfahrungsexperimente, bei denen die Eigenstabilität der Böden gezielt überschritten wurde, ermittelt werden. Mit der Gegenüberstellung der horizontspezifischen Stabilitätsparameter zu den gemessenen Spannungseinträgen, unter Anwendung des Prüfkonzeptes “Vorbelastung“, war es möglich beurteilende Aussagen über die Verdichtungsgefährdung verschiedener Lastsituationen zu treffen. Aus den Ergebnissen der Spannungs- und Deformationsmessungen ließ sich für Radlasten ab 6,3Mg schon mit einmaliger Überrollung eine Unterbodenverdichtung verzeichnen. Eine bodenschonende Wirkung durch abgesenkten Reifeninnendruck und damit vergrößerte Reifenkontaktfläche und verminderten Kontaktflächendruck, konnte für die untersuchten Reifen/Radlastkombinationen nur für die Radlast 3,3Mg ausgewiesen werden. Für Radlasten >3,3Mg reichte die Abnahme des Kontaktflächendruckes mit der gewählten Reifenkombination nicht aus, um die Spannungseinträge unter den Vorbelastungswert zu beschränken und damit eine Stabilisierung der Lastsituation zu erreichen. Die 7,5Mg Variante zeigte in Verbindung mit der Kontaktflächenvergrößerung sogar negative Effekte mit Zunahme der Spannungseinträge im Unterboden. Mit ansteigender Überrollhäufigkeit wurde eine zunehmende Tiefenwirkung des Spannungseintrages mit gleichzeitiger Abnahme der Bodenstabilität festgestellt. Ab Radlasten >6,3Mg beschränkten sich gefügebeeinträchtigende, scherende Bodenbeanspruchungen nicht mehr allein auf den bearbeiteten Oberboden. Das Ausmaß und die Auswirkung bzw. „Schadhaftigkeit“ der Belastungen auf das Bodengefüge und seine Funktionen wurden über die horizontspezifische Betrachtung der auflastabhängigen Veränderungen der Bodenkennwerte Vorbelastung (Pv), Luftkapazität (LK), gesättigte Wasserleitfähigkeit (kf) und Luftleitfähigkeit (kl) charakterisiert. Am Beispiel der Vorbelastung wurde festgestellt, dass mit zunehmender Belastung die Stabilität der Böden z.T. signifikant bis in den Unterboden zugenommen hat. Die eigenen Ergebnisse zeigen, dass dieser Kennwert am wenigsten abhängig von den Rahmenbedingungen ist und er trotz existierender Bodenbearbeitungs- und Texturunterschiede die mechanische Reaktion des Bodens gegenüber den externen Belastungen differenziert aufzeigt. Der Funktionskennwert der Luftleitfähigkeit (pF1,8) weist dagegen in keinem Ausgangsubstrat eine auflastabhängige Beeinflussung durch einmalige Befahrung auf. Die Beurteilung der Verdichtungsgefahr bzw. der auflastabhängigen Beeinträchtigung der Gefügefunktion ist nur dann möglich, wenn die Veränderungen mehrerer Kennwerte im Zusammenhang betrachtet werden. Mit der kombinierten Darstellung der Parameter Luftkapazität (LK) und gesättigte Wasserleitfähigkeit (kf) (nach Indikatorsystem UBA (2004a)), war es unter Berücksichtigung proklamierter Schadschwellenwerte möglich, auflastabhängige Beeinträchtigungen des Bodengefüges aufzuzeigen und Bodenfunktionsänderungen zu bewerten. Die Bestimmung von Verdichtungseffekten über diese Funktionskennwerte stellte sich als zweckmäßig für homogene, bindige Texturen heraus. Mit einmaligem Belastungsimpuls ließen sich für die Oberböden der Lössstandorte, mit Abnahmen der hydraulischen Leitfähigkeit und Verringerung des Anteils an weiten Grobporen, auflastinduzierte Reaktionen der Bodenfunktion schon ab 3,3Mg gegenüber natürlichen Variationen abgrenzen, was unter der natürlichen Texturheterogenität des Geschiebemergels nicht möglich war. Deutlich schadhafte Beeinträchtigungen beider Parameter ließen sich für Radlasten >6,3Mg feststellen. Mit zunehmender Überrollhäufigkeit reagierten die Bodenfunktionen im Löss mit signifikanter Beeinträchtigung und verstärkter Tiefenwirkung. Im Ausgangssubstrat Geschiebemergel reichte der gewählte Stichprobenumfang beider Kennwerte nicht aus, um Verdichtungseffekte gegenüber der natürlichen Heterogenität der Bodeneigenschaften hervorzuheben.The aim of the present work is to quantify mechanical soil degradation by agricultural traffic. The experimental concept is based on investigations of soil bearing capacity and dynamic soil loading to support decision making and give practical recommendations for sustainable land use. The investigations primarily focus on subsoil compaction and the assessment of different technical and horticultural measures for improving soil protection. Initial soil physical conditions of four experimental sites were determined by standard physical laboratory analysis. Additionally wheeling experiments were carried out and accompanied by soil stress (Stress State Transducer) and deformation measurements (Displacement Transducer System). The impact of different wheel loads with varying inflation pressure (3.3, 6.3, 7.5Mg) was examined on two parent materials, glacial till and loess and on two tillage systems, conservation and conventional tillage. Results revealed that particularly the tillage system, the total load and the inflation pressure have effects on the mechanical stress impact in agricultural used soil. However, there were no significant differences in stress distribution and stress penetration between soils derived from the two parent materials. In contrast the comparison of tillage systems showed an enhanced structural stability of the top soil under conservation tillage and thereby higher stress compensation accompanied by a stronger attenuation of shearing and compression with depth. The dynamic loading tests with various simulated machine weights revealed intensified stress impact and deeper stress transmission with heavier wheel loads, which means an increased risk for subsoil compaction. Lowering tire inflation pressure resulted in a reduction of ground pressures and diminished stress impacts up to 60cm depth for wheel loads of 3.3 and 6.3Mg. In order to assess the soil stability in relation to different load situations of agricultural wheeled vehicles, stress strain relationship during short and long term uniaxial confined compression (oedometer tests) was examined and static and dynamic stability parameters were determined. Simulating a real stress path, measured during a wheel passage, in laboratory tests allowed the determination of soil stability for single and up to ten wheel passes. Further, short term dynamic loading tests revealed temporary higher soil stability in relation to the consolidated static loading experiment. The effects of dynamic loading on soil physical properties and ecological soil functions could be determined by single and multiple wheeling field experiments exceeding natural soil stability systematically. The compaction endangerment of the different tire/load combinations was assessed by a horizon-specific comparison of soil stability parameters (precompression stress) and the measured stress impacts. For wheel loads >6.3Mg stress and deformation measurements of a single pass showed mechanical degradation of the soil structure down to the subsoil. Reduced tire inflation pressure serves as a method of soil protection due to increased tire contact area and decreased ground pressure only for the tire/load combination of 3.3Mg. For the selected tire and wheel loads >3.3Mg the reduction of contact ground pressure was not sufficient to reduce stress impact below the precompression stress. For the 7.5Mg load even a negative effect of contact area enlargement was observed with increased stress impacts into the subsoil. Rising number of repeated wheel passes increased stress transmission into deeper soil layers accompanied by a reduction of soil stability. Wheel loads >6.3Mg generated structure-impairing shear deformations also in subsoil layers. The damage of the different loaded wheel passes on both soil structure and its ecological function was distinguished by horizon-specific consideration of the load-dependent changes in soil characteristics:(1) precompression stress (Pc), (2) air capacity (Ac), (3) saturated water conductivity (ks) and (4) air conductivity (kl, pF 1.8). With the example of precompression stress it was observed that increasing load raised (partly significantly) soil stability down to the subsoil. Futher it appears that Pc is independent of experimental boundary conditions. This parameter is able to point out mechanical reactions of the soil caused by the external loads despite existing tillage and texture differences. For both parent materials characteristic value of air conductivity (pF1.8) demonstrated no significant influence of single wheel passes on soil aeration for the examined loads. The combined changes of several characteristic values have to be considered for the assessment of compaction and load-dependent deterioration of soil structural functions. The application of the indicator system suggested by the German Federal Environmental Agency UBA (2004a), where threshold values for Ac and ks are suggested, proofed suitable to assess load-dependent variations of soil structure and evaluate soil functional deterioration. The determination of mechanical compaction effects with these parameters turned out as appropriate for homogeneous, cohesive textures. Single wheel passes on loess topsoils showed a load-dependent reduction of macropores and thus hydraulic conductivity. In these soils the load-induced reactions started from 3.3Mg and could clearly be separated from natural variations. This distinct separation could not be observed for the glacial till and its small-scale natural texture heterogeneity. Clear indication of soil functional deterioration was determined from wheel loads heavier than 6.3Mg. Increasing number of wheel passes intensified stress transmission into deeper soil layers and revealed significant impairment of soil functions and harmful soil compaction in loess soils. For soils derived from glacial till deposits the selected quantity of samples and repetitions was not sufficient to distinguish between load-induced compaction effects and natural heterogeneity of the soil properties